Аеробне дихання

Аеробне дихання

На відміну від анаеробних процесів, в аеробних реакціях катаболізму піруват окиснюється до кінцевих продуктів - СО₂ і Н₂О, що супроводжується вивільненням значно більшої енергії.

У аеробів піруват перетворюється в двовуглецеву сполуку - ацетил-КоА під дією піруватдегідрогеназного комплексу:

Кофермент А відноситься до групи мононуклеотидів, його будова:

Піруватдегідрогеназний комплекс локалізований в мітохондріях еукаріот або в цитоплазмі прокаріот. Він досить складний, складається з 3-х різних ферментів.

На наступній стадії клітинного дихання ацильні групи включаються в ЦТК (цикл три карбонових кислот, цикл лимонної кислоти, цикл Кребса), в результаті якого утворюється СО₂ і атоми водню.

ЦТК в клітині має 2 функції:

1)      Це досконалий клітинний «котел», в якому здійснюється повне окиснння органічного субстрату і відщеплення водню;

)        ЦТК постачає клітині ряд попередників для біосинтетичних процесів.

Енергетичним «паливом» для ЦТК служать не тільки вуглеводи, а й жирні кислоти (після попередньої деградації до ацетил-КоА), амінокислоти (після видалення аміногрупи).

В результаті утворюється 2 молекули СО₂

3 молекули НАДН₂

молекула ФАДН₂

Весь водень знаходиться на певних переносниках, тепер потрібно його передати через інші переносники на молекулярний кисень. 4 пари електронів від цих водневих атомів поступають в дихальний ланцюг і забезпечують синтез АТФ у реакціях окисного фосфорилювання.

Рис.1 Цикл три карбонових кислот

Аконітаза перетворює лимонну кислоту в ізолимонну, яка не відокремлюється від активного центра ферменту, α-кетоглутаратдегідрогеназа каталізує реакції, аналогічні піруватдегідрогеназі, містить 3 ферменти та пов’язані з ними кофактори: ТПФ, КоА, НАД, ФАД. Деякі інтермедіати ЦТК (α-кетоглутарат, сукцинат, оксалоацетат) можуть бути використані як попередники амінокислот, що порушило би циклічність. Існують спеціальні анаплеротичні реакції, які забезпечують поповнення пулу попередників ЦТК (гліоксилатний шунт).

Дихальний ланцюг

В той час як більшість анаеробних організмів здатні синтезувати АТФ тільки шляхом субстратного фосфорилювання, аероби здійснюють більш ефективну регенерацію АТФ. Вони мають спеціальний апарат - дихальний ланцюг і фермент АТФ-синтетазу.

Ці системи у прокаріот знаходяться в плазматичній мембрані, а у еукаріот- на внутрішній мембрані мітохондрій. Електрони з відновлених переносників (НАДН₂, НАДФН₂, ФАДН₂) поступають в дихальний ланцюг, де проходять через ряд етапів, опускаються поступово на більш низькі енергетичні рівні і акцептуються сполуками - кінцевими акцепторами електронів (О₂ та інші). Перенос електронів призводить до суттєвої зміни вільної енергії в системі. Ця вільна енергія переводиться у біологічну форму, тобто АТФ. Компонентами дихального ланцюга є переносники білкової або небілкової (хінони) природи з різноманітними простетичними групами, здатними приєднувати і віддавати електрони або протони. Вони занурені у подвійний ліпідний шар.

До найважливіших належать:

1.      Флавопротеїни - ферменти, які в якості простетичних груп мають ФМН або ФАД. Переносять Н⁺.

2.      Залізосірковмісні білки (Fe-S-білки). Містять атоми Fe, зв’язані з неорганічною сульфідною сіркою і сіркою цистеїну. Залізо змінює свою валентність Fe (II)→Fe (III). Переносять електрони.

 - неорганічна кислотолабільна сірка

3.      Хінони. Переносять водень і жиророзчинні сполуки. Убіхінон у грамнегативних, нафтохінон у грампозитивних.

4.      Цитохроми - приймають участь на заключному етапі ланцюга переносу електронів. Являють собою групу білків, які містять залізопорфіринові простетичні групи (геми). Переносять тільки електрони.

Fe²⁺ Fe³⁺ + e‾

В мітохондріях еукаріот виявлено 5 цитохромів: b, c, c_1, a, a₃. Цитохроми забарвлені і відрізняються спектрами поглинання і окисно-відновними потенціалами.

Найбільш поширеним та еволюційно найдавнішим цитохромом, знайденим у всіх організмах з дихальним ланцюгом є цитохром с. Кінцеві цитохроми (а+а₃) передають електрони на молекулярний кисень, являють собою власне цитохромоксидазу, в реакційному центрі якої, крім двох гемів, містяться 2 атоми міді. Цитохромоксидаза переносить на О₂ 4 електрона.

О₂ + 4Fe²⁺ → 2O^{2 -} + 4Fe³⁺

Якщо переноситься тільки 2 електрона, то утворюється перекис водню, який потім руйнується каталазою або пероксидазою.

Дихальний ланцюг включає не менше 15 різноманітних переносників, розташованих у певній послідовності.

Компоненти дихального ланцюга мають свої значення окисно-відновних потенціалів. Виявлені інгібітори, які специфічно діють на певні ділянки дихального ланцюга (червоним на малюнку).

Топографія компонентів дихального ланцюга:

Основне призначення ЛПЕ - запасання енергії, яка звільнюється в процесі електронного переносу шляхом трансформування її в хімічну енергію фосфатних зв’язків.

Протони при електронному транспорті переносяться через мембрану в одному напрямі, і утворюють градієнт концентрації Н⁺ по обидві сторони мембрани. Перенос протонів та електронів забезпечується розташуванням переносників, а також тим фактом, що мембрана для протонів непроникна.

В мітохондріях на 3-х ділянках окиснювального ланцюга відбувається виділення протонів у зовнішнє середовище (про це свідчить підкислення середовища у дослідах на ізольованих мітохондріях). Відповідно 3 реакції ведуть до утворення ∆µ_Н⁺. Перша локалізована на початку дихального ланцюга і пов’язана з функціонуванням НАД(Ф)·Н₂-дегідрогенази. Другий генератор ∆µ_Н⁺ визначається здатністю убіхінона переносити водень. Останній локалізований в кінці дихального ланцюга і пов’язаний з активністю цитохромоксидази.

Виведені назовні протони повертаються в середину бактеріальної клітини (або в мітохондріальний матрикс еукаріот) за градієнтом концентрації через спеціальні канали-пори в молекулі АТФ-синтетази, а вільна енергія, що при цьому виділяється, використовується для синтезу АТФ.

Транспортування кожної пари електронів по ЛПЕ від НАДН₂ до О₂ супроводжується синтезом 3-х молекул АТФ у трьох точках спряження окиснення і фосфорилювання. Всього ж при повному окисненні глюкози, враховуючи енергетичний вихід гліколізу, окисненні пірувату та ЦТК утворюється 38 молекул АТФ.

Неповні окиснення

Більшість аеробних організмів окиснює органічні речовини в процесі дихання до СО₂ і Н₂О. Оскільки в молекулі СО₂ досягається найвищий ступінь окиснення вуглецю, то в такому випадку говорять про повне окиснення. При неповному окисненні в якості продуктів обміну виділяються частково окиснені органічні сполуки.

Кінцевими продуктами «неповних окиснень» можуть бути кислоти: оцтова, глюконова, фумарова, лимонна, молочна та ряд інших сполук. Оскільки ці продукти подібні до продуктів, що утворюються в результаті бродіння, то неповні окиснення називають іноді «окисним бродінням» або «аеробною ферментацією». Слова «бродіння» і «ферментація» в даному випадку відображають швидше технологічний аспект.

Утворення оцтової кислоти

Оцет отримують із вина або водно-спиртової суміші. Основна проблема - аерація. Розрізняють 3 основних способи вирощування оцтовокислих бактерій:

         поверхневий

         фіксований (на носіях - виноградний жом, букові стружки)

         глибинний (посилена аерація)

Оцтовокислі бактерії - це грамнегативні рухомі палички, облігатні аероби, належать до родів Acetobacter, Gluconobacter: A. aceti, A. xylinum, G.oxydans, G. melanogenum. Вони здатні окиснювати етанол, гліцерол, глюкозу у відповідні кислоти (оцтову, гліцеринову, глюконову). Вторинні спирти окиснюються ними до кетонів, наприклад, сорбіт (сорбітол) до сорбози.

Таке окиснення є одним з етапів на шляху отримання аскорбінової кислоти з глюкози. D-сорбітол можна отримати шляхом електролітичного відновлення D-глюкози.

Інші органічні кислоти (глюконова, фумарова, лимонна, щавлева) можна синтезувати із проміжних продуктів ЦТК грибами родів Mucor, Aspergillus, Rhizopus, а також дріжджами роду Candida.

Добре вивчений і налагоджений промисловий випуск лимонної кислоти культурою гриба Aspergillus niger (lim Fe ↑вихід).

Щавлева кислота утворюється в результаті гідролізу щавлевооцтової кислоти під дією оксалоацетатгідролази:

Її утворенню сприяє лужний рН середовища.

Глюконова кислота є продуктом ферментативного окиснення глюкози грибною глюкозооксидазою. Глюконолактон, який при цьому утворюється, за допомогою глюконолактонази (або не ферментативним шляхом) перетворюється в глюконову кислоту.

Відновлена глюкооксидаза переносить водень на кисень повітря з утворенням перекису водню, який під дією каталази може розщеплюватись на воду і кисень.

Попередником ітаконової кислоти є цис-аконітова кислота. Під час декарбоксилювання подвійний зв’язок переміщується з положення 2,3 у положення 3,4:

Окиснення одновуглецевих сполук

Серед великої різноманітності мікроорганізмів, які отримують енергію в процесі аеробного дихання, особливу фізіологічну групу складають метилотрофи, здатні окиснювати одновуглецеві субстрати (метан, метанол, форміат, метиламіни). Вони не здатні використовувати вуглеводи з довгим ланцюгом.

До метилотрофних мікроорганізмів належать:

)        бактерії: архебактерії

фотосинтезуючі бактерії

)        дріжджі: Pichia, Candida, Hansenula, Rhodotorula, Torulopsis

)        міцеліальні гриби: Gliocladium, Paecilomyces, Penicillum, Trichoderma.

Прокаріотичні метилотрофи поділяють на 2 фізіологічні групи:

         облігатні: використовують лише С₁-субстрати, як правило, метан

         факультативні: ростуть на середовищах із іншими субстратами, але не на метані

Реакції засвоєння метану протікають через такі послідовні стадії:

На першому етапі відбувається окиснення метану СН₄ до метилового спирту СН₃ОН ферментом метанмонооксидазою, причому цей процес пов’язаний з використанням лише одного атома кисню, тоді як другий відновлюється до води.

Метанол СН₃ОН до формальдегіду НСОН бактерії окиснюють за допомогою метанолдегідрогенази. Електрони від цього окиснення направляються в ЛПЕ для синтезу АТФ.

Синтез клітинних сполук (асиміляція) здійснюється із формальдегіду - високо реакційної та токсичної сполуки. Саме тому ферменти його утворення та асиміляції локалізовані поза цитоплазмою. Бактеріальна метанолдегідрогеназа прикріплена ззовні до периплазматичної мембрани. У дріжджів ферменти катаболізму метанолу локалізовані у спеціальних органелах- пероксисомах.

Метилотрофні бактерії реалізують 3 циклічні шляхи асиміляції одновуглецевих субстратів: сериновий, рибулозомонофосфатний та рибулозодифосфатний:

1)      з формальдегіду і гліцину утворюється серин → фосфоенолпіруват

)        формальдегід + рибулозо-5-фосфат → гексулозодифосфат

Біолюмінесценція

Серед бактерій поширене явище світіння - біолюмінесценція. Світіння є окиснювальним процесом, який зумовлюється ферментом люциферазою. Більшість люмінесцентних бактерій належить до родів Vibrio, Photobacterium, Alteromonas, Beneckia. Вони переважно є галофільними грамнегативними факультативними анаеробами. За типом живлення - хемоорганогетеротрофи. Бувають різної форми - коки, палички, прямі і зігнуті. Більшу частину бактерій виділено з морської води. Вони також зустрічаються у тілі і м’язах дрібних ракоподібних планктонних організмів. У деяких риб є спеціальні органи для фотобактерій-симбіонтів.

Світіння відбувається лише у присутності кисню, пов’язане з окисними реакціями, які супроводжуються не синтезом АТФ, а виділенням (емісією) синьо-зеленого світла (470-500 нм).

Бактеріальна люцифераза складається з двох різних субодиниць - α і β, α-субодиниця виконує каталітичну функцію, β-субодиниця - регуляторну.

Джерелом енергії для світіння є реакція перетворення альдегіду з довгим вуглецевим ланцюгом до відповідної жирної кислоти за участю відновленого флавінмононуклеотиду.

(ФМН) • Н₂ + О₂ + R - COH → ФМН + Н₂O + R - COOH + hυ

Нітратне дихання

Для багатьох прокаріотів кінцевим акцептором електронів при анаеробному диханні є нітрати. Ці бактерії називаються денітрифікуючими, а нітратне дихання - дисиміляційною нітратредукцією або денітрифікацією.

Денітрифікуючі бактерії - хемоорганогетеротрофи. В анаеробних умовах вони здійснюють окиснення органічних субстратів звичайним каталітичним шляхом (гліколіз, ЦТК - в аеробів, бродіння - в анаеробів), при цьому Н⁺ та електрони поступають на дихальний ланцюг.

Як кінцевий акцептор водню ці бактерії використовують нітрати, які відновлюються через нітрити до молекулярного азоту:

NO₃^- → NO₂^- → N₂ (або N₂O)

Нітратредуктаза А нітритредуктаза

Процес нітратного дихання каталізують 2 мембранзв’язні ферменти - нітратредуктаза А і нітритредуктаза. Обидва індукуються лише в анаеробних умовах (для більшості денітрифікаторів потрібна наявність NO₃^- в середовищі, для деяких не потрібна). Серед денітрифікуючих бактерій є такі, що використовують як кінцевий акцептор водню не лише нітрати, але й нітрити та закис азоту.

До денітрифікаторів відносять:

Pseudomonas aeruginosa

P. fluorescens

Paracoccus denitrificanslicheniformisdenitrificans

Розвиток денітрифікуючих бактерій у ґрунті приводить до пониження вмісту доступних для рослин форм азоту. Оранка ґрунту сприяє створенню аеробних умов і пригніченню денітрифікації (репресія синтезу нітрит- і нітратредуктази). Проте це єдиний процес, в якому зв’язаний N перетворюється в молекулярний N₂. Крім дисиміляційної нітрат редукції бактерії використовують нітрат для синтезу азотовмісних компонентів клітини. Цьому передує відновлення нітрату до амоніаку.

NO₃^- → NO₂^- → HNO → NH₂OH → NH₃

Процес отримав назву асиміляційна нітратредукція і здійснюється бактеріями як в аеробних, так і в анаеробних умовах. Відновлення нітрату при асиміляційній нітратредукції каталізує фермент нітратредуктаза В, яка знаходиться в цитоплазмі та індукується тільки тоді, коли єдиним джерелом азоту є нітрат. Завершується відновний процес за участю нітритредуктази.

Деякі ентеробактерії (enteron - кишечник) (роди Enterobacter, Escherichia) здатні відновлювати нітрат тільки до нітриту, і тільки ця ланка спряжена з переносом електронів і одержанням енергії. Нітрит далі може відновлюватись до NH₃⁺ в реакціях асиміляційної нітратредукції з виділенням в середовище NH₄⁺. Процес одержав назву амоніфікація нітрату.

Споживання багатих нітратами продуктів або води приводить до відновлення їх мікрофлорою кишечника. При цьому нітрит, що потрапив у кров, спричиняє утворення метгемоглобіну. В результаті еритроцити втрачають здатність транспортувати О₂.

Сульфатне дихання

Сульфатне дихання (дисиміляційна сульфатредукція) здійснюється у бактерій виключно в анаеробних умовах

SO₄^2- + 8[H⁺] → H₂S + 2H₂O + 2OH^-

або

4H₂ + SO₄^2- → S^2- + 4H₂O

Цей процес спряжений з утворенням АТФ в реакціях окисного фосфорилювання на ЛПЕ.

Багато мікроорганізмів здатні утилізувати сульфати в асиміляційних процесах, зокрема синтезах сірковмісних метаболітів. Відновлення сульфатів до сульфідів здійснюється в реакціях асиміляційної сульфатредукції. Обидва процеси - дисиміляційна і асиміляційна сульфатредукція - проходять через стадію утворення сульфіту.

Desulfotomaculum, Desulfovibrio, Desulfosarcina, які заселяють різні екологічні ніші (грунти, водойми, рубець жуйних). Сульфатредукуючі бактерії є облігатними анаеробами. Донорами водню для них служать прості низькомолекулярні сполуки, які утворилися при анаеробному розкладі біомаси, в основному целюлози: лактат, ацетат, пропіонат, бутират, форміат, етанол, вищі жирні кислоти, молекулярний водень.

Асиміляційна сульфатредукція призводить до утворення H₂S. Різниця: 1) більш поширена; 2) відновлена сірка йде на біосинтетичні процеси; 3) перший етап подібний, при асиміляційній сульфатредукції йде ще одна реакція активації активованого (АТФ) сульфату.

Як акцептор водню деякі бактерії можуть використовувати елементарну сірку, відновлюючи її до H₂S у процесах окиснення органічних субстратів (сірчане дихання).

В наш час добре вивчений Desulfuromonas acetoxidans. Цю бактерію, яка пересувається за допомогою латерально розташованого джгутика, можна виділити з морської води і отримати нагромаджувальну культуру на середовищі, що містить мінеральні солі, ацетат і сірчаний цвіт (порошкоподібну сірку) при дотриманні анаеробних умов.

Сульфатредукувальні бактерії поширені в прибережних мулах, промислових стоках, багатих сульфатами. Саме за рахунок їх життєдіяльності тут нагромаджується сірководень. Його вміст різко зростає при підвищенні концентрації органічних речовин у стічних водах.

Сульфатредукувальні бактерії є причиною нагромадження значної кількості сірководню у Чорному морі.

За участю сульфатредукувальних бактерій утворені поклади сірки біогенного походження (Роздольське на Львівщині; Техас, Луізиана, Мексика). Анаеробна корозія заліза та будівельних матеріалів, що містять сульфати, також результат їх життєдіяльності. Отримати нагромаджувальні культури суьфатредукувальних бактерій можна, якщо додати в середовище лактат, сульфат, залізний цвях (скріпку) для створення низького окисно-відновного потенціалу (в результаті катодної поляризації, анаеробних умов), (Е₀^’= -200 мB).

Рис.2 Отримання нагромаджу вальної культури сульфатредукувальних бактерій. Інокулянт - сірководневий мул

Карбонатне дихання

В клітинах деяких анаеробних бактерій кінцевим акцептором водню є СО₂. До них належать метаногенні бактерії (Archaeobacteria).

Морфологічно вони є паличкоподібні (Methanobacterium), коки (Methanococcus), сарцини (Methanosarcina), спірили (Methanospirillum), неправильної форми (Methanococсeoides). Вони мешкають (зустрічаються) на площах, зайнятих тундрою і болотами (метан - болотний газ), рисові поля, осади на дні ставків і озер; лимани, марши, естуарії; відстійники очисних споруд, шлунки (рубці) жуйних тварин (більше ніж 10⁹ куо/мл).

Метанутворюючі бактерії становлять останню ланку анаеробного харчового ланцюга. В ньому приймають участь:

)        бактерії, які зброджують целюлозу до сукцинату, пропіонату, бутирату, лактату, ацетату, спиртів, СО_2, Н₂;

)        ацетогенні бактерії, які зброджують вищеназвані продукти до ацетату, форміату, СО_2, Н₂;

)        метаногени, що використовують ці розчини в якості субстратів.

4Н₂ + СО₂ → СН₄ + 2Н₂О

За типом живлення метаногени є переважно гетеротрофами, хоча описані види, які використовують СО₂ як єдине джерело вуглецю.

В різних місцях утворюється метан, відбувається також утворення оцтової кислоти. Підкислення середовища у відстійниках пов’язане з діяльністю бактерій, які перетворюють СО₂ і Н₂ в оцтову кислоту згідно рівнянню:

Н₂ + 2СО₂ → СН₃ - СООН + 2Н₂О

Ацетогенні бактерії - це анаеробні хемолітоавтотрофи; грампозитивні палички

Clostridium aceticum. thermoaceticumwoodi.

дихання біолюмінесценція окиснення нітратний

Висновки

1.      Мікроорганізми здатні здійснювати окиснення органічних сполук в анаеробних та аеробних умовах.

.        Найбільш оптимальний спосіб окиснення - цикл Кребса. Електрони із сполук метаболізму поступають в ланцюг переносу електронів, що дозволяє клітині запасати енергію у вигляді АТФ.

.        Мікроорганізми здатні здійснювати неповне окиснення органічних сполук, в результаті чого утворюються оцтова, глюконова, фумарова, лимонна, молочна, ітаконова кислоти.

.        Прикладом неповного окиснення є люмінесценція.

.        У випадку якщо кінцевим акцептором електронів є не кисень, а інші органічні сполуки, то розрізняють сульфатне, карбонатне, нітратне дихання.

Список літератури

1.      Prescott L. M., Harley J. P., Klein D. A. Microbiology. Third edition. - Dubuque: WCB, 1996